青蛙在坐标系里捉虫？高考出题人呀，你并不懂青蛙

编者按：

理综考试结束后，有一道物理题上了热搜，带火了一只在平面直角坐标系上捉虫子的小青蛙。经网友描述，青蛙和虫子分别在坐标系中运动。在题目中，当青蛙和虫子相交的时候，青蛙才能吃到虫子。

No No No，你们太小看青蛙了，青蛙要想吃到虫子，才不需要和虫子相交，它的舌头可不是白长的！

捕获！｜图源：Rachael Lallensack / Science

九年前，刚刚在乔治亚理工学院开始攻读博士的亚历克西斯·诺埃尔（Alexis Noel）向一堂解剖课的学生们提出了一个奇怪的请求：等他们把青蛙分割完毕之后，能不能把舌头都让给她？学生们答应了。

诺埃尔在实验室里抱着一只蟾蜍｜图源：Alexis Noel

出动！超强捕食舌！

诺埃尔从小就喜欢蛙类。长大后加入胡立德（David Hu）的生物力学实验室之后，她迫不及待地对蛙类展开了研究。胡立德也对这个课题很感兴趣。他不久前参观亚特兰大植物园，看见了一群色彩斑斓的箭毒蛙进食的样子。他在这些蛙类的动作中看到了一个物理学的奇迹：当它们向昆虫弹出黏黏的舌头，其速度和精度都令人称奇。

他后来用高速摄像机拍摄了一只豹纹蛙，发现它在不到0.07秒的时间里就能捕获昆虫——这比人类一眨眼的速度还快了五倍。当它的舌头击中猎物，其加速度是重力的12倍。然而不知怎的，猎物却没有被打飞，而是粘在了舌头上。

你可以试着设计一种湿润的材料，让它以高速击中一个纹理粗糙的物体并附着在上面。你是设计不出来的。没人做出来过。然而蛙类每次捕食都在展现这项技艺。人类从19世纪就开始研究蛙类的舌头，但直到现在也没弄懂它们为什么这么黏。

巨人叶蛙（Phyllomedusa bicolor）捕食的瞬间。｜图源：Ed Yong / Youtube

为什么会这么黏？

为了解答这个问题，诺埃尔从解剖课堂上收集了许多条蛙舌。然后她遵照博物学家的伟大传统，用手指把它们都捅了捅。那柔软的触感令她和胡立德都十分惊讶。“它们就像是儿童玩具黏土（silly putty），摸上去的时候，你简直分不清那是固体还是液体，”胡立德说道，“它们的黏性也很大，就像刚刚嚼过的口香糖，或是粘在手上摆脱不掉的棉花糖。”

随后，诺埃尔带着一袋子血淋淋的蛙舌、还有从学校的尸体农场收集来的人类舌头，走进了一间材料检测实验室。通过将一个圆柱体缓缓压入这些切下的器官，她证明了人类的舌头比蛙舌坚硬十倍。

不仅如此，有些蛙类物种的舌头，在人类测量过的所有生物材料中都属于最软的一类。胡立德说：“它们就跟人类的脑子一样柔软——但人脑可不会弹出来捕捉猎物。”因为柔软，蛙舌在击中昆虫时能将它裹住，制造最大的接触面。康涅狄格大学的库尔特·施文克（Kurt Schwenk）还指出：“蛙舌本身的惯性使它能在弹出的过程中显著伸长，这增加了蛙类的捕食距离，也提高了它们突袭昆虫的本领。”

蛙类的舌头还内置了避震器——其中的一些脂肪和肌肉能在撞击时缓冲部分能量。这些避震器在蛙舌回收时发挥作用：昆虫虽然承受了很大的力，却并不会脱落。“这舌头就像蹦床加一副棒球手套——它会伸缩，但也会抓住你”，胡立德说。

蛙舌的拉伸实验。｜图片源：Ed Yong / Youtube

“我们知道，豹纹蛙会捕食许多种昆虫、蚯蚓和其他无脊椎动物，”克莱蒙特学院的詹娜·蒙鲁瓦（Jenna Monroy）说道，“它们可能会根据猎物的不同体型来发动舌部肌肉，以调节舌头接触猎物时的硬度和阻尼，从而确保成功捕到猎物。”

“不过这块软组织只是成功的一半”，诺埃尔说。另一半是蛙类的唾液。

她和同事花了许多时间和力气，从收集到的蛙舌上刮下唾液。“这些唾液很黏，每次刮完，你都要再把它们从刮刀上刮下来，”胡立德说，“辛苦半小时，才能收集半毫升。这真像是一件稀世珍宝。”

再次捕获！｜图片：David Shultz / Science

诺埃尔说：“以前人们都觉得蛙类的唾液只是黏稠而已。”但是经过仔细研究，她却发现这些唾液是一种非牛顿流体——这类液体的性质会随着施加于其上的力而改变。比如蜂蜜会在搅拌下从固体变成液体，玉米淀粉和水的混合物会在敲打下变成固态，番茄酱会因为瓶子的摇晃而变得更易流动。唾液就像番茄酱：外部力量会降低它的黏滞性。但同样受到外力，人类唾液的黏滞性会下降到约1/10，蛙类唾液的黏滞性却要下降到1/100左右。

于是，当蛙类的舌头击中昆虫，上面的唾液就开始自由流动，并轻易渗入昆虫体表的每一道缝隙和开口。而当舌头放慢速度并往回收缩，唾液就重新凝结成黏糊状，相当于是攥紧一只拳头，把昆虫抓了回来。

要是舌头把食物黏住了怎么办？

“这项分析能用来解释我们观察到的许多奇妙现象，比如蛙类为什么要用眼球的后半部分将猎物推进喉咙。”北亚利桑那大学的西川绮纱（Kiisa Nishikawa）说道：一旦将昆虫吞进嘴里，蛙就必须把它从舌头上弄下来。幸好它的黏液把戏都只在垂直方向上最见效；要把昆虫从舌头上扯掉很难，要把它们撬开就比较容易了。蛙只需要用什么东西把昆虫推一下就行——于是它就用了自己的眼球。十二年前，罗伯特·莱文（Robert Levine）用X光录像显示了蛙在吞咽时会将眼球向内收缩，并用眼球将昆虫从舌头上推下去。

角蛙用眼球帮助吞咽猎物<招财蛙怎么招财？咬住，绝不松口！>。｜图片：Ed Yong / Youtube

黏性动物就是材料学的缪斯啊！

对黏性动物的许多研究都造成了新材料的问世。壁虎的爬墙功力引出了干黏合剂的研发。贻贝的足丝（将它们与岩石固定的黏性纤维网）启发了一种能在水下使用的黏胶。蠕虫启发了一种性能更好的医用胶带的发明，还有一种不会渗血的胶水，不用缝线就能补好伤口。谁又知道蛙的舌头会引出什么发明呢？“想象一种缝线，快速缝合后会立即硬化。”胡立德说，“或者快速撕下时反而不会很痛的创可贴。”

“我们为什么要在意这些东西？”研究动物力学的西川说，“因为来自生物学的启迪能解决实际的人类问题。蛙类的舌头看似冷门，但是不要忘了，抗生素也是从面包霉菌里来的。”

研究着研究着就想吸口猫！｜图片：JENNIFER VIEGAS / Reader's digest

现在，诺埃尔又将目光转向了猫的舌头。它们的表面分布着一层微小的脊刺。诺埃尔想知道，这样的结构是为了方便给自己梳毛、把肉从骨头上剔下来、还是有什么别的用途。“我研究的既有家猫、又有老虎的舌头，”她说，“猫和蛙都是我很喜欢的动物，也都是我目前的研究对象。这真是美好的人生。”

翻译：红猪

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